Імітація мозку комах: стрибок вперед у ефективній робототехніці

У величезному просторі природи деякі з найглибших натхнень приходять від найменших створінь. Комахи, на яких часто не звертають уваги через їхні мініатюрні розміри, насправді є дивом навігації та ефективності. Їхня здатність маневрувати в складних середовищах з мозком не більшим за шпилькову голівку вже давно зацікавила вчених та інженерів. Лідером у розкритті цих секретів є фізик Елізабетта Чікка, чия недавня робота долає розрив між біологічним розумінням і технологічними інноваціями.

Чікка вирушив у подорож, щоб розшифрувати, як ці крихітні створіння досягають таких дивовижних подвигів. Її робота не тільки проливає світло на таємниці навігації комах, але й прокладає шлях до прогресу в енергозберігаючих обчисленнях і робототехніці.

Розблокування навігації комах

Комахи, незважаючи на свої обмежені нервові ресурси, демонструють дивовижні навігаційні здібності. Вони без особливих зусиль уникають перешкод і вправно пересуваються через найдрібніші отвори, що роками дивувало вчених. Суть цієї здатності полягає в їх унікальному сприйнятті світу.

У своєму дослідженні Чікка пояснює, що ключовим аспектом навігації комах є те, як вони сприймають рух. Це схоже на те, що сидиш у поїзді й спостерігаєш за краєвидом: дерева поруч рухаються швидше, ніж далекі будинки. Комахи використовують цю диференціальну швидкість руху, щоб оцінити відстань і орієнтуватися. Цей простий, але ефективний метод добре працює під час руху по прямій. Однак реальний світ рідко буває таким однозначним.

Комахи пристосовуються до складності середовища, спрощуючи свою поведінку. Зазвичай вони летять по прямій, роблять поворот, а потім рухаються по іншій прямій. Спостереження Чікки показують важливий урок: обмеження ресурсів можна врівноважити корективами поведінки.

Подорож від біологічних ідей до робототехнічних застосувань — це історія міждисциплінарної співпраці. Торбен Шопе, аспірант під керівництвом Чікка, розробив модель, що імітує нейронну активність комах, яку потім перевели на маленького робота-навігатора.

Цей робот, що втілює принципи навігації комах, був продуктом тісної співпраці з Мартіном Егельхаафом, відомим нейробіологом з Білефельдського університету. Досвід Егельхафа в розумінні принципів обчислення комах був вирішальним у розробці моделі, яка точно імітувала їхні навігаційні стратегії.

Навігаційні досягнення робота

Справжнє свідчення будь-якої наукової моделі полягає в її практичному застосуванні. У випадку з дослідженням Чікка робототехнічний аналог мозку комахи продемонстрував свої можливості в серії складних тестів. Найбільш вражаючою з них була навігація робота коридором, стіни якого були прикрашені випадковим малюнком. Ця установка, розроблена для імітації різноманітних візуальних подразників, з якими стикається комаха, була складним курсом для будь-якої навігаційної системи.

Робот, оснащений моделлю Торбена Шопе, продемонстрував дивовижну здатність підтримувати центральний шлях у коридорі, поведінку, надзвичайно схожу на поведінку комах. Це було досягнуто шляхом направлення до областей з найменш видимим рухом, імітуючи природну стратегію комах щодо вимірювання відстані та напрямку. Успіх робота в цьому середовищі був переконливим підтвердженням моделі.

За межами коридору робота тестували в різних віртуальних середовищах, кожне з яких представляло власний набір завдань. Незалежно від того, об’їжджав він перешкоди чи знаходив шлях крізь невеликі отвори, робот продемонстрував здатність до адаптації та ефективність, що нагадувала його біологічні аналоги. Чікка дійшов висновку, що здатність моделі стабільно працювати в різних налаштуваннях була не просто демонстрацією технічної майстерності, а й відображенням основної ефективності та універсальності навігації комах.

Робот Торбена Шопе в коридорі з випадковим принтом. Фото Леоні фон Рісток

Ефективність у робототехніці: нова парадигма

У світі робототехніки протягом тривалого часу домінували системи, які навчаються та адаптуються за допомогою широкого програмування та обробки даних. Цей підхід, незважаючи на ефективність, часто вимагає значних обчислювальних ресурсів і енергії. Дослідження Chicca запроваджують зміну парадигми, черпаючи натхнення у природному світі, де ефективність є ключовою.

Комахи, які були a фокус робототехніки протягом тривалого часу, народжуються з вродженою здатністю до ефективної навігації з самого початку, без необхідності навчання чи тривалого програмування. Ця «закріплена» ефективність різко контрастує з традиційним підходом у робототехніці. Наслідуючи ці біологічні принципи, роботи можуть досягти рівня ефективності, який зараз недосяжний звичайними методами.

Chicca бачить майбутнє, де робототехніка — це не лише навчання та адаптація, а й вроджена ефективність. Цей підхід може призвести до розробки менших роботів, які споживають менше енергії та більше підходять для різних середовищ. Це перспектива, яка кидає виклик статус-кво та відкриває нові можливості в розробці та застосуванні роботизованих систем.